서울대학교 공과대학은 기계공학부 안성훈 교수 연구팀이 드론, 로봇팔과 같은 복잡한 3차원 구조물을 연속된 하나의 탄소섬유로 구현할 수 있는 ‘메조스케일 탄소섬유 격자구조(Mesoscale Carbon Fiber Lattices)’를 개발했다고 밝혔다.
가볍지만 강한 재료는 오랫동안 공학기술이 풀어야 할 핵심 과제였다. 특히 드론, 로봇팔, 항공우주 구조물처럼 복잡한 3차원 형상을 구현해야 하는 분야에서는 무게를 줄이면서도 강도를 유지하는 일이 성능과 효율을 좌우해 왔다.
이 기술은 여러 부품을 나눠 만들고 이를 조립해 제작했던 기존의 3차원 구조물 제작 방식과 달리, 구조물 전체를 처음부터 끝까지 하나의 섬유가 끊김이 없이 이어지는 방식으로 만들 수 있는 강점 덕분에 국제 학계의 주목을 받고 있다. 이번 연구 성과는 4월 21일 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.
특히, 연구팀이 개발한 이 초경량 복합재(두 가지 이상의 재료를 결합해 성능을 높인 재료)는 건축용 콘크리트와 유사한 10~30MPa(메가파스칼·압력이나 재료의 강도를 나타내는 단위로 1MPa는 1㎡ 면적에 약 100만 뉴턴의 힘이 가해지는 정도) 수준의 높은 강도를 유지하면서도, 무게는 같은 강도의 순수 알루미늄 대비 1/40~1/100에 불과하다.
즉, 같은 무게의 기존 격자구조와 비교해 최대 약 10배 높은 강도를 구현할 수 있는 초경량 구조의 설계 원리를 세계 최초로 제시한 것이다.“필요는 발명의 어머니(Necessity is the mother of invention)”라는 말처럼 연구팀의 발표에 따르면‘메조스케일 탄소섬유 격자구조’ 개발의 연구 배경도 한계를 극복하려는 필요에 따른 결과다.
탄소섬유와 에폭시로 만든 복합재는 가벼우면서도 강도가 높은 특성 덕분에 항공우주, 모빌리티, 스포츠, 의료 분야에서 널리 사용된다. 탄소섬유와 에폭시로 만든 복합재를 비롯한 기존 복합재는 구조를 제작할 때 판재나 파이프 형상으로 적층한다. 판재 형상 적층은 얇고 평평한 판(시트) 형태의 재료를 종이를 여러 장 붙이듯이 층층이 쌓아 구조를 만드는 방법이다.
이러한 방식으로는 복잡한 형상을 만들기 어려워 개별 부품을 제작 후 일일이 조립해야 한다. 그래서 드론, 로봇팔 등 복잡한 3차원 구조의 제작에는 활용되기 어려운 실정이다.
그 대안으로 3차원 프린팅 공정을 통해 기존 복합재를 격자구조로 만들어 3차원 구조를 설계하는 방식이 고안됐지만, 층층이 쌓는 공정 특성상 생기는 층간 접합부의 취약성이 약점이었다.
즉, 기존의 기계 기술로 강하고 가벼운 3차원 형상을 제작하기에는 그 한계가 명확했다.이에 안성훈 교수 연구팀은 창의적 아이디어로 이 문제를 해결했다. 강도가 매우 높은 탄소섬유를 사용해 끊김이 없고 연속적인 3차원 격자구조를 구현함으로써 구조물의 무게를 대폭 줄인 혁신적인 제작 방식을 개발한 것이다.
연구팀은 3차원 공간에서 섬유를 지지할 구조를 만든 뒤, 하나의 긴 탄소섬유를 그 위에 감아 격자를 형성하고, 이후 에폭시 수지를 스며들게 하는 함침(섬유 사이에 액체 수지를 침투시킴) 공정을 통해 복합재 구조를 제조했다.
이 구조의 강도는 순수 알루미늄 또는 건축용 콘크리트와 유사한 수준이다. 향후 복합재료의 특성인 방향성을 추가해 설계하면 더 높은 강도를 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 연구팀은 이 구조를 실제 드론 구조체에 적용한 실험에서 기존 대비 드론 프레임의 무게를 약 79%까지 줄이고, 이 같은 경량화를 통해 드론의 비행시간을 기존 대비 약 33% 증가시키며 기술 실효성 검증에 성공했다.
이번에 안성훈 교수팀이 개발한 초경량 복합재는 복잡한 3차원 구조물을 만들 때 다수의 부품 제작, 접착, 조립, 후가공을 수반했던 기존 기계 기술의 한계를 뛰어넘었다는 점에서 그 의미가 크다.
특히, 연속적인 구조 제작에 적합하므로 부품 및 조립 공정 간소화를 통해 더 가볍고 효율적인 구조를 설계할 수 있다.아울러 구조물의 무게를 손쉽게 줄일 뿐 아니라, 구조의 정밀한 움직임을 구현하는 이 복합재는 로봇, 자동차, 항공우주 등의 모빌리티 산업 분야에서 상용화될 경우, 에너지 효율 향상과 운용 비용 절감에 크게 이바지할 수 있다.
또한, 초경량 건축 재료, 맞춤형 의료 임플란트, 고성능 스포츠 장비 등으로의 확장 가능성도 열려 있다.
연구를 지도한 안성훈 교수는 “이번 연구 결과는 여러 부재를 서로 연결, 접착해 구조물을 만들었던 전통적인 제작 방식에서 벗어나 그 한계를 극복했다는 점에서 매우 값진 성과”라고 강조하며 “처음부터 끝까지 ‘온전한 띠로 하나 되는’ 새로운 구조의 제조와 재료를 통합하는 연구 분야를 개척하겠다”라는 의지를 밝혔다.
이 연구의 의미는 단지 더 가벼운 재료를 하나 개발했다는 데 그치지 않는다. 끊김이 없는 하나의 탄소섬유로 복잡한 3차원 구조를 구현했다는 점에서, 기존의 부품 제작-조립-접착 중심 기계 제조의 한계를 넘어서는 새로운 방향을 제시했다는 데 더 큰 가치가 있다.
구조가 가벼워지면 에너지 효율은 높아지고, 제작 공정이 단순해지면 산업적 활용 가능성도 넓어진다. 드론과 로봇, 자동차와 항공우주, 나아가 건축과 의료, 스포츠 장비에 이르기까지 이번 기술이 주목받는 이유도 여기에 있다. 즉, 이 연구의 성과는 ‘강한데 무거운 구조’와 ‘가볍지만 약한 구조’ 사이의 오래된 선택지를 넘어, 더 가볍고 더 효율적인 미래형 구조 설계의 문을 열었다는 점에서 의미가 크다.
이 연구 논문의 제1저자인 최준영 박사는 올해 2월 서울대학교 기계공학부에서 박사학위를 받았으며, 현재 서울대학교 정밀기계설계공동연구소에서 박사후연구원으로 재직하고 있다. 한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견 연구과제의 지원을 받아 서울대학교에서 수행됐다.
